“효율·수명 두 마리 토끼 다 잡았다” 유기 태양전지 수명 24배 ↑

- 광주과기원, 스스로 보호층 형성하는 물질 도입해 유기태양전지 공정 간소화

유기 태양전지 구조, 광활성 물질 및 C60-SAM 물질의 분자구조 및 수직 자기조립 메커니즘 모식도.[지스트 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소 강홍규 박사, 이광희 소장과 영국 임페리얼컬리지 런던 공동연구팀이 스스로 얇은 층을 형성하는 물질을 활용해 유기 태양전지의 코팅 공정을 간소화하고 높은 효율과 긴 수명을 확보하는데 성공했다.

이번 연구성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 4월 25일 게재됐다.

유기 태양전지는 실리콘을 이용한 무기태양전지에 비해 저렴할 뿐만 아니라 가볍고 유연하며 투명하다는 장점이 있다. 특히 건물과 자동차의 창문이나 유리온실에 필름으로 부착하는 등 다양한 산업에 활용할 수 있어 꾸준한 연구가 진행되고 있다.

그중 역구조 유기 태양전지에 널리 사용되고 있는 산화아연은 빛의 투과율이 높고 전하 수송 능력이 뛰어나지만 자외선을 흡수하면 광촉매현상을 일으켜서 전기를 만드는 광활성층을 분해시킨다. 이 경우 빛을 흡수하는 능력이 떨어져 전기 생산 효율이 크게 저하된다.

산화아연 위에 보호층을 씌우기 위한 시도가 여러 번 있었으나 복잡한 코팅 공정 때문에 제조비용이 상승하는 문제가 발생했다.

연구팀은 단분자 물질인 ‘풀러렌 기반 자기조립 소재(이하 C60-SAM)’를 산화아연 위에 도포해 스스로 보호층을 형성하게 함으로써 산화아연의 안정성을 확보하고 전지의 효율과 수명을 개선했을 뿐만 아니라 코팅 공정을 간소화하는데도 성공했다.

C60-SAM은 산화아연과 만나면 표면에 얇은 층을 형성하는 점을 이용해 연구팀은 C60-SAM을 광활성 물질에 혼합해서 코팅하고 산화아연과의 반응을 통해 스스로 보호층을 형성하게 했다. C60-SAM의 카르복실산 말단기와 산화아연 표면의 하이드록실기 사이에서 축합반응*이 일어나 그 사이에 보호층이 안정적으로 형성될 수 있었다.

이번 연구를 수행한 지스트 연구진. 강홍규(왼쪽부터) 박사, 이광희 소장, 정소영 박사.[지스트 제공]

특히 유기 태양전지의 효율이 10% 떨어지기까지 걸리는 시간이 기존 20여 분에서 8시간으로 약 24배 늘어나는 등 전지 수명이 대폭 개선됐다.

강홍규 박사는 “이번 연구는 역구조 유기 태양전지의 전자수송층과 광활성층 사이에서 발생하는 안정성 문제를 자기조립층을 이용한 보호막 형성이라는 새로운 방식으로 해결한 것에 의의가 있다”며 “유기 태양전지는 코팅 공정을 하나만 줄이더라도 양산성을 크게 개선할 수 있어 상용화에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

nbgkoo@heraldcorp.com